单一的涂层和简单的制备工艺已不能满足不断提高的临床要求，复合涂层技术是今后提高种植体表面活性的必然趋势。
金属基体表面涂层生物陶瓷的研究已开展20多年，其中钛基表面制备羟基磷灰石(HA)涂层是最常见的一种。HA与牙和骨组织中无机质结构相似，能与宿主组织直接产生化学作用而致骨性结合，是一种优良的牙和骨缺损替代材料，但HA单独作为硬组织材料植入人体，存在力学相容性差的缺点。钛及其合金在生物学上是惰性的，强度好。但作为植入体时，其表面会发生侵蚀而导致植入松解。80年代中期De Groot K[1]和Cook SD[2]各自相对独立地利用等离子喷涂技术将羟基磷灰石涂覆于钛表面，制成HA/Ti复合种植体，它结合了两种材料的优点，不仅具备一定的机械强度，而且有良好的生物相容性，植入人体后短期内即可与软硬组织结合，在生物材料学领域被认为是一种具有广阔发展前途的种植体。
如何提高涂基结合是决定HA /Ti种植体性能的关键因素。

一、梯度功能HA/Ti种植体

目前临床用HA涂层存在的问题是涂层和基体的界面结合不牢固和涂层内的残余应力，随着植入时间延长，在口腔特殊环境下，涂层溶解脱落造成种植体失败。其主要原因是：1) 涂层结合强度低，而涂层内应力高或应力分布不均匀；2) 涂层结构设计不合理；3)涂层气孔率过大，不能有效阻止组织液的渗透。因此如何提高涂基结合是决定HA /Ti种植体性能的关键因素。

梯度功能材料，简称FGM，是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。FGM具有均质材料和涂层材料无法比拟的优点，克服了不同材料结合的性能不匹配因素，使两种材料的优势都得到充分发挥。HA/Ti梯度功能种植体能够减少及优化应力分布，减少植入材料与骨组织弹性模量不匹配造成的应力集中，并保持复合后材料的整体力学性能。在成分中引入连续逐级的梯度来提高不同基体之间的界面结合强度，避免植入材料使用过程中涂层脱落。同时通过控制梯度层的几何形状和成分分布来缓和层间热应力，抑止界面的应力集中。

目前针对HA/Ti梯度功能种植体的研究主要集中在FGM的设计和制备方面。由于HA 与Ti的热膨胀系数差别，合理的设计是通过涂层的成分梯度和结构梯度设计，在涂基间复合热膨胀系数合理的过渡层或多层复合，从而极大限度地减小材料界面的残余应力，增强界面的结合强度。目前研究较多的过渡层是生物玻璃和惰性氧化物陶瓷。Iwasaki[3]等研究发现，通过加入Al2O3的颗粒到HA和Ti之间制作FGM涂层，可以增强各层之间的结合力，有效地减小了剥脱的可能性。在复合涂层方面，王迎军等[4.5]采用等离子喷涂法将复合梯度喷涂粉料（HA、生物玻璃、P2O5 ZrO2）于钛合金基体上制备生物活性梯度涂层，从涂层横截面SEM可见，涂层底部与金属基体表面紧密结合。对该区域能谱成分分析表明，界面区既有涂层中的Ca、P、Zr ，也有基体中的Ti。因此，说明该区域内存在涂层与基体组分的相互扩散和化学反应。R.Roop Kumar等[6]将不同配比的HA及TiO2粉末混合涂覆在钛合金基体上，制备功能梯度生物活性涂层。首先在Ti6Al4V 基体上涂覆一层TiO2，并在900℃烧结。随后涂覆不同配比的HA及TiO2复合涂层，也在900℃烧结，以保证层间的良好结合。研究表明这种工艺可大幅度提高界面结合强度，优化分布及减少热应力。

经过20多年发展，在钛及钛合金表面制备梯度HA涂层的方法很多，目前主要使用的有粉末冶金法、等离子喷涂法、电沉积法、离心铸造法等，除了上述技术外，还有仿生技术、爆炸喷涂、电脉冲法、分子自组装技术等，但这些方法都存在各自的优缺点，因此选择适合的方法应根据确定的材料体系、梯度分布的类型及密度来进行。随着计算机技术的发展，为了更精确控制梯度组成，计算机辅助设计加工已成为必然发展趋势。
纳米材料和一般材料的性能差异来源于其微粒的表面效应和体积效应

二、纳米生物活性涂层种植体

纳米材料指材料微粒的尺寸为纳米量级（1～100nm）。纳米材料和一般材料的性能差异来源于其微粒的表面效应和体积效应。由于纳米离子表面原子数多，表面原子配位数不足和高的表面能，使原子易于与其他原子结合而稳定下来。同时纳米粒子细化，晶界数量大幅增加，可使材料强度、韧性等明显提高。用纳米级HA微粒代替微米颗粒制成的种植体涂层，由于材料获得高的表面积和粘结性能，从而为种植体与骨界面间提供了尽可能大的粘结面积，同时涂层与钛基的界面达到分子水平的均匀交混，在界面生成牢固的化学过渡层，使涂基结合强度大为提高，有学者实验证明其明显高于等离子喷涂的30MPa的经典结合强度。纳米级HA涂层除了良好的机械性能外，还能显著促进成骨细胞碱性磷酸酶的合成和含钙矿物质沉积[7]。在同种材料下，材料涂层表面的物理特性如颗粒直径、颗粒之间的孔径，是影响成骨细胞活力增殖等生理功能的主要决定因素[8]。Webster等[9-11]通过体外细胞学试验证实，直径为67nm的HA涂层可以特异性地促进成骨细胞贴附，其贴附能力大于成纤维细胞。且成骨细胞的增殖明显高于普通级HA涂层材料，增殖3天为普通组的1.7倍，碱性磷酸酶的合成为1.37倍，同时钙沉积也明显高于普通组。HA纳米晶体与胶原成分组成的复合材料，是最接近天然骨结构的组织工程材料。Kikuchi等[12]将纳米级HA和胶原按比例混合后电镜观察为直径50～100nm，长度20um的条索状结构，与胶原结构平行。弹性模量与自体移植松质骨相当。动物实验证实该材料可以修复狗胫骨上15mm×20mm的骨缺损，8周后被新生骨组织覆盖，材料降解出现陷窝样结构，成骨细胞成骨和破骨细胞吞噬同时存在，具有很好的生物活性。纳米HA种植体还能通过对HA晶粒和孔隙大小性能剪裁，控制细胞的一系列性能，提高种植效应。

影响骨愈合的生长因子中，BMPs是一种起关键作用的调控因子，在骨形成包括异位骨形成起重要作用。

三、生物活性物质涂层

将生物活性物质键合在HA/Ti种植体表面，可以引发所需的特异的组织和细胞反应，抑制非特异性反应，赋予材料新的生物活性。主要的活性物质有活性基团和生物活性大分子两大类。活性基团如PO4O2-. NH2+. OH-. COOH-等可以诱导磷灰石晶体的成核。而生物活性大分子也大致分为两种：一是细胞黏附分子多肽序列，如RGD多肽序列和-FHRRRIKA-多肽序列是公认的细胞结合域和肝素结合域。二是骨形成效应分子，如BMPs.TGF.IGF-I等[13]。目前众多生物活性物质仍处于基础研究阶段，投入临床使用还需更进一步深入研究。近年来研究表明在众多影响骨愈合的生长因子中，BMPs是一种起关键作用得的调控因子，在骨形成包括异位骨形成起重要作用[14]。将rhBMP-2复合在HA涂层中，材料植入动物体内3周即可形成功之大量的新生骨细胞和骨组织。因为体内BMP能被水解，目前很多学者致力于将BMP与胶原复合。通过此方法，可减慢BMP的降解，维持局部较高的BMP浓度[15]。牙本质基质蛋白的成骨作用也是当前研究热点之一，学者们推测DMP1参与了组织矿化过程且在骨形成及发育中起重要作用。DMP-1是晚期成骨细胞向骨细胞转化及生物矿化的标志基因，主要在成体动物骨骼的骨细胞前体细胞、骨细胞及其细胞突中表达。研究发现机械负载可以使细胞中DMP-1表达增加2-3.7倍，且表达水平与骨细胞承受的机械负荷相适应，揭示骨细胞分泌表达的DMP-1蛋白与新骨、动态骨改建及机械应力传导都密切相关[16-17]。

四、其他

目前，提****A/Ti种植体表面生物活性的方法很多，但人们一直寻求在制备方法和工艺水平有新的突破。正如此各种新的思路方法层出不穷。生物降解材料因具有可吸收性而引起学者的关注，该材料植入人体后，随时间而部分或全部被吸收，同时新骨生成取代生物材料，无异物存在于机体内，材料吸收后骨的改建比骨与材料的复合体更活跃。压电陶瓷利用骨组织是压电体的特点，植入人体后，依靠人体自身活动而产生压电效应，在负极处吸引钙盐定向沉积，使材料与机体在电相容性方面达到协调与匹配。同时可以利用微晶格等技术将特定信号识别的生物分子结合在材料表面，通过对材料表面的修饰，从而更加精确的控制种植体植入后与组织的反应，制成有特定修复功能的“智能”材料。

综上所述，目前针对提****A/Ti种植体表面生物活性的方法很多，但也正说明了尚未有一种理想的方法出现。单一的涂层和简单的制备工艺已不能满足不断提高的临床要求，能够结合上述方法及材料优点的复合涂层技术是今后提高种植体表面活性的必然趋势。而且现在的实验大多仍以组织学评价为主，缺少长期、系统的临床随访及组织病理学观察。可以预期，随着系统研究的不断深入，各种生物改性的HA/Ti种植体将会越来越多的投入临床应用。

课后总结：各种HA/Ti种植体的概念及优点

种植体类型
概念
优点
研究重点


梯度功能HA/Ti种植体
梯度功能材料，简称FGM，是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。

FGM HA/Ti梯度功能种植体能够减少及优化应力分布，减少植入材料与骨组织弹性模量不匹配造成的应力集中，并保持复合后材料的整体力学性能。提高不同基体之间的界面结合强度，避免植入材料使用过程中涂层脱落。同时通过控制梯度层的几何形状和成分分布来缓和层间热应力，抑止界面的应力集中。
目前针对HA/Ti梯度功能种植体的研究主要集中在FGM的设计和制备方面。

目前研究较多的过渡层是生物玻璃和惰性氧化物陶瓷。


纳米生物活性涂层种植体
纳米材料指材料微粒的尺寸为纳米量级（1-100nm）。
纳米级HA微粒材料获得高的表面积和粘结性能，为种植体与骨界面间提供了尽可能大的粘结面积，同时涂层与钛基的界面达到分子水平的均匀交混，在界面生成牢固的化学过渡层，使涂基结合强度大为提高。

纳米级HA涂层除了良好的机械性能外，还能显著促进成骨细胞碱性磷酸酶的合成和含钙矿物质沉积。

纳米HA种植体还能通过对HA晶粒和孔隙大小性能剪裁，控制细胞的一系列性能，提高种植效应。
HA纳米晶体与胶原成分组成的复合材料，是最接近天然骨结构的组织工程材料。
生物活性物质涂层
将生物活性物质键合在HA/Ti种植体表面，主要的活性物质有活性基团和生物活性大分子两大类。
可以引发所需的特异的组织和细胞反应，抑制非特异性反应，赋予材料新的生物活性。

该材料植入人体后，随时间而部分或全部被吸收，同时新骨生成取代生物材料，无异物存在于机体内，材料吸收后骨的改建比骨与材料的复合体更活跃。
目前众多生物活性物质仍处于基础研究阶段，投入临床使用还需更进一步深入研究。

其他
生物降解材料
材料植入人体后，随时间而部分或全部被吸收。
材料植入人体后，随时间而部分或全部被吸收，同时新骨生成取代生物材料，无异物存在于机体内。

压电陶瓷
骨组织是压电体，植入人体后，依靠人体自身活动而产生压电效应，在负极处吸引钙盐定向沉积。
材料与机体在电相容性方面达到协调与匹配。

更加精确的控制种植体植入后与组织的反应，制成有特定修复功能的“智能”材料。